MEMS » Systèmes microélectromécaniques en toute simplicité
Publié le : 22.08.2022 | Durée de lecture : 7 minutes
Peu de gens connaissent la signification de l'abréviation « MEMS » ou du terme « capteur MEMS ». Pourtant, tout le monde a certainement déjà expérimenté l'utilisation et l'utilité pratique d'un capteur MEMS. Par exemple, lorsqu'il suffit de tourner légèrement un smartphone pour que l'image affichée à l'écran s'agrandisse et soit ainsi mieux visible.
Pour mettre en œuvre cette solution conviviale, le téléphone doit être équipé de capteurs MEMS spéciaux capables de détecter les mouvements de rotation et les accélérations. Ce qui est plutôt un gadget sympa sur un smartphone est désormais devenu une nécessité absolue dans de nombreux autres domaines technologiques.
C'est pour nous une raison suffisante pour examiner de plus près les capteurs MEMS et la technologie qui les sous-tend.
Le terme « MEMS » est l'abréviation de « Micro-Electro-Mechanical-Systems », c'est-à-dire « systèmes micro-électromécaniques ». Comme son nom l'indique, un MEMS est une combinaison de mécanique et d'électronique dans un espace très restreint. Le développement de la technologie MEMS était finalement une conséquence logique du fait que la mécanique de précision classique et la technologie de précision pour les appareils électroniques avaient déjà atteint leurs limites dans les années 1980.
Bien que l'usinage conventionnel des matériaux permette dans l'idéal des tolérances de l'ordre du millimètre, cela était encore beaucoup trop grossier. En particulier lorsqu'il s'agit de fabriquer des composants et des structures complets dont les dimensions totales sont nettement inférieures à un millimètre. Cela n'est possible qu'en combinant la microélectronique et la micromécanique.
La technologie des microsystèmes permet ainsi de fabriquer des actionneurs tels que des pompes, des moteurs, des microphones, des haut-parleurs ou même des capteurs de taille minuscule. Même en médecine, cette technologie est de plus en plus utilisée pour les capteurs biométriques. Grâce aux microphones et haut-parleurs MEMS, les appareils auditifs modernes sont extrêmement discrets et presque invisibles. D'ailleurs, la tête d'impression Bubble Jet d'une imprimante à jet d'encre est également un système fonctionnant sur la base de la technologie MEMS.
Étant donné que les dimensions des composants mécaniques d'un MEMS ne sont pas de l'ordre du millimètre (mm), mais du micromètre (µm), la production nécessite de recourir à des méthodes totalement nouvelles. Cependant, une technologie connue et éprouvée est utilisée à cette fin. Comme pour la fabrication de puces semi-conductrices pour circuits intégrés (CI), les structures des composants MEMS sont construites sur une tranche de silicium. Différents procédés de micro-usinage de surface sont utilisés pour la construction et la fabrication de composants MEMS :
Photolithographie
Dans le processus de photolithographie, les zones nécessaires de la couche fonctionnelle (1) sont protégées par une résine photosensible (2) pendant le processus de gravure.
Cette dernière est d'abord appliquée sous forme de couche homogène sur toute la surface par centrifugation (voir illustration supérieure du schéma).
Lors de l'exposition suivante de la résine photosensible (voir illustration centrale du schéma), on utilise un masque (3) qui délimite clairement les zones nécessaires et celles qui ne le sont pas.
Si une résine positive a été utilisée, les zones exposées de la résine photosensible sont éliminées lors du développement (voir illustration inférieure du schéma).
Dans le cas d'une résine négative, les zones ombragées sont éliminées. La plaquette peut ensuite être gravée.
Gravure
Pour créer les structures nécessaires dans le silicium, on utilise des procédés de gravure chimiques humides traditionnels, mais aussi des procédés de gravure chimiques secs. La gravure ionique réactive est un procédé de gravure chimique et physique à sec qui offre des possibilités particulières dans la fabrication des MEMS. Des ions chargés positivement sont générés dans un plasma gazeux et accélérés de manière ciblée vers l'électrode négative avec les plaquettes.
Lors de l'impact, les ions dissolvent la matière à la surface (gravure physique). Un profil de gravure anisotrope est créé en fonction de la direction du mouvement des ions (voir illustration ci-dessus).
En modifiant les paramètres du processus (pression, distance entre les plaques, débit de gaz ou puissance du générateur), il est possible d'influencer le comportement des ions pendant le processus de gravure. Ceux-ci ne se comportent alors plus de manière ciblée, mais changent constamment de direction en raison des collisions.
Le processus de gravure est alors non directionnel (isotrope) et revêt un caractère chimique en raison de la réaction des radicaux libres à la surface. Cela permet également de pénétrer dans les zones protégées par la résine photosensible (voir illustration ci-dessous).
Dépôt
Lors du dépôt par couche atomique (ALD pour Atomic Layer Deposition), des couches atomiques uniformes de l'ordre du nanomètre sont formées par réaction superficielle avec le substrat. Même les structures complexes présentant des creux peuvent être revêtues de manière optimale grâce à un procédé approprié. Pour cela, les substances les plus diverses sont utilisées selon la fonction requise.
Le choix du matériau dépend des propriétés électriques, thermiques, piézoélectriques, magnétiques ou mécaniques que l'on souhaite obtenir pour les couches.
Le dépôt peut être sélectif ou la couche fonctionnelle structurée peut être créée lors d'un processus de gravure ultérieur.
Liaison
Au niveau du fond, les couches de plaquettes sont liées entre elles. Cela peut se faire soit directement par soudage moléculaire ou anodique (voir schéma de gauche sur l'image).
Il est également possible d'utiliser des couches intermédiaires en verre, en métal ou en colle (voir schéma de droite).
Créations de structures 3D
Dans les systèmes micromécaniques, de nombreuses applications nécessitent des structures et des composants capables de se déplacer dans une certaine mesure. Cela fonctionne seulement si les structures sont formées de manière appropriée et correctement logées ou ancrées dans le système. Afin de pouvoir créer des structures mobiles tridimensionnelles, on utilise des plaquettes SOI (Silicon On Insulator).
Dans ces plaquettes, une couche d'oxyde isolante (3) est intégrée entre le substrat de support en silicium (1) et la couche active de monocristal de silicium (2). Grâce à des procédés de gravure appropriés, la couche d'oxyde sous la structure peut être retirée, ce qui permet de créer des microcomposants mobiles (4).
Combinaison des procédés de fabrication
La combinaison des méthodes de fabrication susmentionnées ou le dépôt et la gravure multiples de couches structurelles minces et de couches sacrificielles permettent de créer une grande variété de structures et de creux micromécaniques. Les dimensions des différents composants ainsi obtenues sont nettement inférieures au diamètre d'un cheveu humain, qui est d'environ 50 à 80 µm.
La photo ci-jointe montre un petit détail d'un capteur MEMS afin d'illustrer les structures extrêmement petites et pourtant parfaitement usinées.
Le processus mécanique utilisé dans la fabrication des MEMS garantit une production rapide et une qualité élevée et constante. De plus, les quantités énormes et la faible consommation de matériaux permettent une production de masse à moindre coût.
Crédit photographique : Robert Bosch GmbH
La technologie MEMS est idéale pour les capteurs les plus divers. Les capteurs d'accélération et les capteurs de vitesse de rotation MEMS, en particulier, peuvent être réalisés de manière excellente grâce à la technologie MEMS. Les anciens capteurs ne pouvaient détecter qu'un mouvement dans une seule direction. Les capteurs modernes, tels que la puce MPU-6050, intègrent un capteur d'accélération à 3 axes et un capteur de vitesse de rotation à 3 axes (gyroscope) dans un boîtier de seulement 4 x 4 mm.
Grâce à son faible encombrement, ce capteur MEMS peut être facilement intégré dans une grande variété d'appareils. Mais cette puce de capteur est également très utilisée dans le développement ou la formation, comme le montre cette carte de capteur pour kits de développement tels que Arduino ou Raspberry Pi.
En revanche, dans le cas des capteurs intelligents, il est également courant que la mécanique MEMS et l'électronique d'évaluation, y compris le traitement numérique du signal, soient des modules indépendants.
Les différents modules ne sont câblés entre eux qu'au moment de la fabrication du capteur, à l'intérieur du boîtier de la puce.
Les capteurs de débit, capteurs de pression, capteurs d'inclinaison, capteurs de température et les capteurs de gaz ou de qualité de l'air sont d'autres capteurs populaires pour lesquels la technologie MEMS est de plus en plus utilisée.
Crédit photographique : Robert Bosch GmbH
La technologie et le fonctionnement d'un capteur MEMS peuvent être illustrés très simplement à l'aide d'un accéléromètre. Dans un accéléromètre, des microstructures en forme de peigne sont créées selon le procédé de fabrication mentionné ci-dessus.
L'élément central (1) est une masse mobile maintenue en position centrale par des éléments élastiques (2). L'élément supérieur (3) et l'élément inférieur (4) du peigne sont solidement fixés au boîtier du capteur.
Les dents des peignes qui s'emboîtent les unes dans les autres constituent des condensateurs qui, en raison de leur taille et de la distance actuelle entre les points de connexion A et C ou B et C, ont une capacité mesurable déterminée.
Les surfaces efficaces des condensateurs sont représentées en vert sur le schéma.
Le principe de fonctionnement
En fonction de l'accélération ou de la décélération, une force s'exerce sur l'accéléromètre, qui dévie latéralement vers la gauche ou vers la droite la structure mobile en peigne à l'intérieur.
Cela modifie la position relative des dents du peigne les unes par rapport aux autres. Il en résulte également une modification de la distance entre les surfaces du condensateur et donc de la valeur de capacité.
Lorsque la distance diminue, la valeur de capacité augmente. Si la distance augmente, la valeur de la capacité diminue. En fonction des variations de capacité entre les points de connexion A et C ou B et C, le système électronique numérique du capteur peut déterminer l'intensité et la direction de l'accélération.
Par conséquent, dans le cas du smartphone mentionné ci-dessus, l'image s'affiche correctement après la rotation et n'est pas à l'envers.
Structure réelle
Les schémas présentés dans cette section sont très simplifiés afin d'expliquer clairement la structure et le fonctionnement. À cette fin, nous avons également représenté très clairement la déviation de la masse mobile. Les deux images ci-jointes montrent la structure réelle d'un capteur MEMS.
Capteur d’accélération
Crédit photographique : Robert Bosch GmbH
Capteur de vitesse de rotation (gyroscope)
Crédit photographique : Robert Bosch GmbH
Le capteur de vitesse de rotation se compose de deux capteurs d'accélération couplés mécaniquement par une double croix. Cela permet de détecter les mouvements de rotation autour d'un axe. Ce processus complexe est expliqué clairement par la société Bosch dans cette vidéo.
Comme mentionné précédemment, les capteurs MEMS sont utilisés dans de nombreux appareils mobiles et intelligents. Dans les ordinateurs portables, par exemple, les capteurs d'accélération détectent une chute, de sorte que la tête de lecture/écriture du disque dur puisse être mise en position de stationnement à temps avant l'impact. Mais les MEMS sont également très appréciés dans le secteur automobile. Ils régulent par exemple la fonction ESP, déclenchent les airbags en cas d'accident ou veillent à ce que la navigation continue de fonctionner même lorsque les satellites GPS ne sont pas captés dans un tunnel.
La fabrication industrielle présente l'avantage de rendre les capteurs MEMS de haute qualité très abordables. C'est pourquoi les fabricants de drones et coptères y ont souvent recours. Même les modèles d'entrée de gamme utilisent la technologie MEMS intelligente pour obtenir une excellente stabilité de vol.
Stabilisation de caméra avec capteurs MEMS
Sur les modèles de drones haut de gamme, la stabilisation micromécanique du support de caméra est une autre application utile. Les mouvements de balancement en vol étant automatiquement compensés, il est très facile de réaliser des vidéos parfaitement stables et sans tremblements.
La mesure électrique correcte de différentes grandeurs physiques et le traitement électronique des informations ont toujours représenté un défi technique particulier. La technologie MEMS offre désormais une solution qui permet non seulement de disposer d'actionneurs et de capteurs précis, robustes et durables, mais aussi, grâce aux nanostructures utilisées et à la production industrielle de masse, de composants toujours plus petits, plus performants et moins coûteux. Ce n'est pas un hasard si le secteur des MEMS a connu une croissance énorme ces dernières années. La technologie des capteurs jouant un rôle important dans presque tous les domaines de notre monde technicisé, la technologie MEMS continuera sur sa lancée. Nous, les consommateurs, ne remarquerons que le fait que nos appareils techniques offrent soudainement des fonctions et des performances jusqu'alors irréalisables, et ce, apparemment sans effort.